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Institut für Kern- und Energietechnik (IKET)Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion (IIP)

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Wolfgang Raskob und Michael HieteCEDIM Workshop, 17.01.2011

Kritische Infrastrukturen: Konzept und Stand der Entwicklung des entstehenden Bereichs

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Gliederung

Kritische Infrastrukturen und Kompetenzen in CEDIMEntscheidungsunterstützungssystem für KRITIS

AnforderungenKonzeptMethoden

Weiteres VorgehenZusammenfassung

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Kritische Infrastrukturen

Kritische Infrastrukturen:

Energieversorgung (Strom- und Gasversorgung)WasserversorgungRettungsdienste und Medizinische VersorgungTransportsysteme/VerkehrBanken und FinanzenInformations- und KommunikationstechnologienGefahrstoffeVerwaltung, Behörden, Justiz

EC KOM(2004) 702

Definition Kritische Infrastrukturen:

„Kritische Infrastrukturen sind materielle und informationstechnologische Einrichtungen, Netze, Dienste und Anlagegüter, deren Störung oder Vernichtung gravierende Auswirkungen auf die Gesundheit, die Sicherheit oder das wirtschaftliche Wohlergehen der Bürger sowie auch auf die Regierungsarbeit in den Mitgliedstaaten hätte.“

4 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

starke Vernetzung

Sonderstellung der Elektrizitätsversorgung

nach Foster et al. 2004

Vernetzung kritischer Infrastrukturen

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Auswirkungen großflächiger Stromausfälle

Stromausfall

Forschung• Speziallabore• Sicherheits-

einrichtungen

Entsorgung

• Abwasser• Müll

Landwirtschaft

• Viehfütterung• Melken

Presse/Medien• Warnung der

Bevölkerung• Berichterstattung

Finanzwesen

• Bargeld• Handelsplätze

Versorgung• Brauchwasser• Trinkwasser• Treibstoffversorgung

Rettungsdienste

• Leitstellen• Treibstoffversorgung• erhöhtes

Einsatzaufkommen

Behörden/Verwaltung• Öffentliche

Dienstleistung• Sicherheitssysteme

Verkehr/Transport

• Treibstoffversorgung• Öffentliche

Verkehrsmittel

Gesundheitswesen• Versorgung• Krankenhäuser• Alten- und

Pflegeheime• Medizingeräte

Nahrungsmittel• Kühlhäuser• Warenketten• Produktion

IT/TK• Auswirkung auf

andere Teilbereiche• Telefon/Mobilfunk• Internet• Rechenzentren

Industrie

• Produktionsausfälle• Sekundärgefahren

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Anfälligkeit der Elektrizitätsversorgung gegenüber Naturereignissen

Kritische Elemente:freistehende TransformatorenTransportleitungenVerteilernetze Kraftwerke

Kritische Naturereignisse:SturmGewitterSchneefall/BlitzeisbildungHitze-Niedrigwasser

7 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

KIT Start-Up Projekt in 2009

HintergrundZiele

Analyse des Standes der Forschung und der Anwendung im Bereich der „Kritischen Infrastrukturen“Welche Kompetenzen sind am KIT vorhanden, um Arbeiten im Rahmen von KRITIS durchführen zu können (z. B. gemeinsame Projekte)

Erkenntnis: Entscheidungsunterstützung bei Großschadenslagen notwendig, aber kaum existent

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Ausgewählte Kompetenzen am KIT: Risikomanagement

Simulation von Naturgefahren: Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG), Geophysikalisches Institut (GPI)Risiko/- Vulnerabilitätsanalysen: GPI, Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion (IIP)Vulnerabilitätsmodellierung von VersorgungsinfrastrukturenWasser und Abwasser: IWGTechnische Maßnahmen: Innovationscluster Future SecurityBW: Institut für Boden- und Felsmechanik (IBF), Institut für Massivbau und Baustofftechnologie (IfMB), Materialprüfungsanstalt (MPA)Simulation von Maßnahmen: Technologie und Management im Baubetrieb (TMB)Entscheidungsunterstützung: IIP, Institut für Kern- und Energietechnik (IKET)Künstliche Intelligenz: Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren (AIFB)

9 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Ausgewählte Kompetenzen KIT: Kritische Infrastrukturen

Energieversorgung: IIP, Institut für Elektroenergiesystem und Hochspannungstechnik (IEH)Wasserversorgung: IWGTelekommunikation und Informationstechnik: AIFB, Institut für Kryptographie und Sicherheit (IKS), Institut für Wissenschaftliches Rechnen und Mathematische Modellbildung (IWRMM)Transport- und Verkehrswesen: Institut für Verkehrs-wesen (IfV), Institut für Wirtschaftsforschung und -politik (IWW), Institut für Strassen- und Eisenbahnwesen (ISE)Finanz-, Geld- und Versicherungswesen: Institut für Finanzwirtschaft, Banken und Versicherungen (FBV)Gebäude: Institut für Mechanik (IfM), IBF, IfMB, TMB

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KRITIS-Gruppe

Ziel: Erarbeitung eines Konzepts und ArbeitsplansTreffen im Feb. und Nov. 2010Teilnehmer

BBKCEDIM AGFraunhofer IOSBGFZKITUni Wuppertal

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VisionEine potentielle Zieldefinition für die KRITIS Gruppe innerhalb von CEDIM heißt:

Entwicklung eines ebenenübergreifenden (Untere Katastrophenschutzbehörde bis Bundesministerium) und skalenübergreifenden (Stadt bis ganzes Land) Entscheidungsunterstützungssystems

12 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Qualitäten des Entscheidungsunterstützungssystems

Interdependenzen zwischen verschiedenen KRITIS

Ausfallauswirkungen auf die Bevölkerung

Ökonomische Auswirkungen

Maßnahmen zur Auswirkungsminderung

Strategisch und operativ-taktisch

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Problem der Komplexität: Cynefin-Modell nach Snowden

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Eignung für Entscheidungsträger in der Krise (1)

Bekanntes System: Lage ist bekanntKompliziertes System: Lage insgesamt erfasst, Prozesse verstanden, aber es fehlen teilweise Daten für PrognosenKomplexes System: Analyse der Lage nur qualitativ möglich, da Zusammenhänge zu komplex und zu viele ParameterÜberkomplexes System: Entwicklung der Lage unvorhersehbar, da sie jenseits der Erfahrung der Handelnden liegt

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Eignung für Entscheidungsträger in der Krise (2)

Bekannte und komplizierte SystemeSimulationen als Basis für EntscheidungsunterstützungUnsicherheiten wichtigDatenbasis zu Risiken und Vulnerabilität als Basis für Maßnahmenbewertung

Komplexe und überkomplexe SystemeWissensdatenbanken zur Unterstützung der Analysten (elektronische Handbücher und Checklisten)Causal Maps zur Darstellung von Zusammenhängen und AbhängigkeitenCase Based Reasoning für bis jetzt noch nicht durchgespielte SzenarienAggregierte Modelle für Simulationen

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Gliederung

Kritische Infrastrukturen und Kompetenzen in CEDIMEntscheidungsunterstützungssystem für KRITIS

AnforderungenKonzeptMethoden

Weiteres VorgehenZusammenfassung

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Simulation environment• data generation• scenario generation• visualisation

Toolbox• simulation models• wrapper• simulation data

Virtual reality with detailed simulation tools

Aggregated simulation models• use environment and results from bottom layer• network models• system dynamics• agent based models

Aggregated layer

Modelling• scenario techniques• MCDA• case based reasoning

Support data bases• knowledge data base• scenario data base• rule data base

Decision support

Graphical User Int.• simple, daily use• self learning• crisis communication

Social networks• how to combine• data mining• acceptance

User interaction

Erstes Systemkonzept

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Potentiell zentrale Simulationskomponenten

WissensdatenbankEnthält Information über generische Ereignisse, Maßnahmen und Lagen

Selbstlernende Systeme Erweiterung der Wissensdatenbank, um auf bisher nicht berücksichtigte Ereignisse zu schließen

EntscheidungsunterstützungMultikriterielle Entscheidungsanalyse (MCDA), szenariobasiert

KennzahlensimulationSimulation der Ressourcen für die Durchführung von Maßnahmen

Aggregierte ModelleAngepasst auf die Entscheidungsunterstützung

19 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Wissensdatenbank: Stromversorgung Köln

20 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Wissensdatenbank: Stromausfall Großraum Köln

21 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Strategische Simulation mit Wissensdatenbank

Gegenwart ZukunftVergangenheit

Ereignis mit Charakterisierung

Effekte / Bewertung

22 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Strategische Simulation mit Wissensdatenbank II

Maßnahme

Effekte / Bewertung

Potentielle Maßnahmen selektiert

23 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Selbstlernende Systeme

Problemlösung durch Erinnern (Experte) an vergangene Ereignisse und wie man das Problem damals gelöst hat (Standard beim Katastrophenschutz)Fallbasiertes Schließen (case based reasoning) ermöglicht es, das Expertenwissen (historische Szenarien) für neue Probleme nutzbar zu machen

Retrieve: Finde ähnliche FälleReuse: Nutze die Lösung als ersten LösungsvorschlagRevise: Modifiziere die Lösung, wenn notwendigRetain: Nutze das neue Problem mit der neuen Lösung als zusätzlichen Fall in der Datenbank

Methoden: Regeln, Nachbarschaft, Analogie Je mehr Fälle die Datenbank enthält, desto erfolgreicher ist die CBR Komponente

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Kennzahlenmethode

Methode, um die benötigten Ressourcen für einen bestimmten Arbeitsabschnitt/Prozess abzuschätzenWird unter anderem auch für Abschätzungen im Baubetrieb verwendet

Z. B. Abschätzung des Bedarfs an schwerem Gerät für bestimmte Arbeiten

Wie kann man damit im Katastrophenschutz umgehen?

Generisch bedeut die Methode nichts anderes als eine Erfahrungsdatenbank als Grundlage für Aufwandsabschätzungen (für einen bestimmten Einsatz) zu benutzen XY Ressourcen der Klasse AB für die Arbeit ZV

25 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Interaktion strategisch – operativ/taktisch

Strategische EbeneAuswahl potentieller MaßnahmenBewertung potentieller MaßnahmenZeitkritisch/ressourcenabhängig

Operativ/taktische EbeneSimulation der RessourcenBerechnung Zeitbedarf

Ergebnis: Ziele erreichbar oder nicht

AnfrageMachbarkeit

Neu

bew

ertu

ng

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Was ist die multikriterielle Entscheidungsanalyse (MCDA)?

MAVT (Multi-Attribute Value Theory, Nutzwertanalyse) ist eine Methodik, die es erlaubt, ein Problem mit Hilfe von Kriterienhierarchien (attribute tree) zu analysieren und die Gewichtung der verschiedenen Attribute bezüglich des Gesamtzieles zu bestimmen Die verschiednen Schritte bestehen aus:

Problem-structurierung

Wahl derPräferenzen Verdichtung

SensitivitätsAnalyse Entscheidung

27 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Szenariobasierte multikriterielle Entscheidungsanalyse

Ereignis wird in potentielle Entwicklungsstränge aufgeteiltUnsicherheiten: mehrere Werte für einen Knotenverschiedene Szenarien

Verletzte

Arbeitsstunden

Kosten fürMaterial [€]

TodesfälleOrt

Wetter:Wind aus N

Zeitpunkt …

Verletzte

Arbeitsstunden

Kosten fürMaterial [€]

TodesfälleOrt

Wetter:Wind aus NW

Zeitpunkt

…

…

…EigenschaftenRelevanzKonsistenzKohärenzPlausibilität

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Schwerpunkt: „aggregierte“ Modelle

Simulationsmodelle, die zum einen detailliert genug sind, um für die Entscheidungsfindung anwendbar zu sein, aber nicht zu komplex, da Daten nicht verfügbar sind und deterministische Simulationen kaum möglich sindBeispiel Stromausfall

Zu einfach: Wenn Stromausfall, dann auch Ausfall AmpelnBesser: Wenn Stromausfall, dann Aufzüge überprüfen, Dialysepatienten, die zu Hause sind überprüfen, Treibstoffverknappung, da kein Notstrom an Tankstellen….Noch besser: Wenn Stromausfall, dann treten im Mittel Verzögerungen der Fahrzeiten von 20% auf, innerstädtisch eher mehr….

Modelle, die aus komplexen Simulationen abgeleitet sind und noch Entscheidungsunterstützung liefern

29 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Generalisiertes Aufzeigen von AbhängigkeitenSystem Dynamics: Energienetz

Niemeyer 2002

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Innovationen

Entwicklung von angepassten (aggregierten) Simulationsmodellen geeignet für die Entscheidungsunterstützung Einzigartiges System

Vorkonfiguriert mit historischen FällenWichtigste Maßnahmen integriertSelbstlernend und damit immer besser werdend, je länger es angewendet wirdWissensschatz und damit nutzbar für die Ausbildung und Planung

Simulationsumgebung als Schlüssel für die Entwicklung neuer Szenarien und angepasster Modelle

DienstleistungskomponenteForschungskomponente

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Ziele

Ziel ist ein Demonstrator nach 3 Jahren, Einbinden von potentiellen EndanwendernDesign des Systems nach Anforderungen von potentiellen NutzernEntwicklung von aggregierten Modellen für einige KRITIS (z. B. Verkehr, Elektrizitätsversorgung,…)Test der Komponenten Simulation – Wissensdatenbank –Entscheidungsunterstützung im ZusammenspielSzenarienbasiert mit 2-3 kritischen InfrastrukturenLauffähiges System

Ausdehnung auf weitere KRITIS BereicheKopplung von Modellen zu Naturgefahren und Auswirkungen auf KRITIS

32 17.01.2011 www.cedim.deWolfgang Raskob und Michael Hiete, KITKRITIS-CEDIM

Arbeitsprogramm: Analyse

Arbeitspaket 1: Analyse der Anforderungen an ein solches System

Analyse der existierenden SystemeAnalyse des Informationsbedarfs der potentiellen NutzerAnalyse des Nutzungskonzepts der potentiellen NutzerAnforderungen an eine BenutzeroberflächeAnalyse der Anforderungen an ein aggregiertes Modell

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Arbeitsprogramm: Konzept

SystemSimulationNutzer (Mensch-Maschine Schnittstelle)DatenbankenInteroperabilität

SimulationenKRITIS Simulation + Abhängigkeiten MaßnahmensimulationEntscheidungsunterstützungWissensdatenbanken und Selbstlernende SystemeAggregierte Modelle

Für welche Szenarien nutzbarAbstraktionsgrad

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Arbeitsprogramm: Entwicklung

SystemkomponentenABC

Integration externer Komponenten (Interoperabilität)Entwicklung einer aggregierten SimulationEntscheidungsunterstützungWissensdatenbankSelbstlernendes SystemKopplung von Simulation – Wissensdatenbank –EntscheidungsunterstützungBenutzerschnittstellen

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Arbeitsprogramm: Feedback

TestszenarienNutzerbefragungenWorkshopsISCRAM 2013

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Zusammenfassung

(Ambitionierte) Ziele definiertIntegriertes ebenen- und skalenübergreifendes Entscheidungsunterstützungssystem für Schadenslagen mit kritischen InfrastrukturenEntwicklung von speziellen angepassten Modellen zur Simulation und EntscheidungsunterstützungArbeiten haben zum Jahresbeginn begonnen mit 1 Stelle + 1 Doktorand (deutlich mehr Ressourcen notwendig)Verhandlungen mit Fraunhofer über Teilnahme an Projekt (vor dem 11 Februar 2011)Synergien mit „Task Force Großschadenslagen“Erster Prototyp auf ISCRAM 2013

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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